在生物柴油环境中，对涂有Zn和Zn-CaCO3的低碳钢的生物腐蚀敏感性进行微观结构分析

《Next Materials》：Microstructure examination of the biocorrosion susceptibility of mild steel coated with Zn and Zn-CaCO 3 in a biodiesel environment

本研究通过电化学极化和阻抗谱分析，结合原子力显微镜（AFM）和扫描电镜（SEM）表征，系统评估了Zn和Zn-CaCO3复合涂层在生物柴油（B35）环境中的腐蚀防护性能。实验表明，Zn-CaCO3涂层在降低腐蚀电流密度（icorr）和提升腐蚀电阻（CR-mmpy）方面优于纯Zn涂层，其表面粗糙度（Ra、Rq）增加有效阻碍了腐蚀介质渗透，同时CaCO3相的生成增强了阴极保护。该涂层技术为生物柴油储罐的低碳钢腐蚀防护提供了新方案。

　　本研究探讨了在轻质钢表面沉积锌（Zn）和锌-碳酸钙（Zn-CaCO?）复合材料作为保护层，以提高其在生物腐蚀环境中的耐受性。研究重点在于分析这些涂层在生物柴油储存罐中的生物腐蚀行为和微观结构，采用扫描电子显微镜（SEM/EDX）、X射线衍射（XRD）等方法对涂层结构进行评估。此外，利用定量原子力显微镜（AFM）对样品表面的生物腐蚀敏感性进行分析，揭示了涂层表面形貌和粗糙度的变化情况。研究结果表明，Zn和Zn-CaCO?涂层在轻质钢表面形成了一种具有更高粗糙度的微观结构，其中Zn占比高达98%，而CaCO?仅占2%。这种结构在生物柴油环境中展现出显著的抗腐蚀能力，为改善低碳钢在生物柴油储存中的性能提供了新的技术思路。

轻质钢作为广泛应用于多个工业领域的结构材料，其年产量达到13.5亿吨。这种材料因其易于焊接、良好的成形能力和经济性，常被用于易燃燃料如柴油和汽油的储存容器中。然而，轻质钢在生物柴油环境中的耐久性受到生物腐蚀的威胁，因为生物柴油中可能含有水分，从而为微生物诱导腐蚀（MIC）提供了有利的条件。MIC不仅在运输和储存过程中带来问题，还可能影响金属结构的动态行为，造成严重的损害。因此，开发有效的防腐技术成为工业界的重要任务。

与常规的化学或电化学腐蚀不同，MIC是一种复杂的生物过程，其腐蚀速率和模式可能受到微生物活动、代谢产物及生物膜形成等因素的影响。因此，为了有效降低生物腐蚀的风险，需要从材料选择、保护涂层、化学处理及微生物活动管理等多个方面采取综合措施。研究发现，通过热喷涂技术将少量贵重化学物质沉积到钢表面，是一种成本较低且可行的保护手段。锌涂层因其成本效益和优异的防腐性能，被广泛应用于汽车、航空航天和建筑行业。此外，锌合金涂层如锌-铝-镁、锌-镍、锌-铝、锌-铁和锌-镁等，也因其良好的焊接性和延展性而适用于机械应用，同时提升抗腐蚀能力。

在生物柴油环境中，锌和碳酸钙复合涂层表现出更强的抗腐蚀能力。该研究通过双层沉积、水热法和电解共沉积等方式制备了这些涂层，并发现其中含有68.87%的回收碳酸钙粉末的Zn-10%复合涂层在抗腐蚀方面具有显著效果。此外，使用从蛋壳废弃物中提取的碳酸钙粉末制备的Zn和Zn-碳酸钙复合涂层，在实验中显示出高达99.92%的抗腐蚀效率。这些涂层不仅能够提供牺牲性保护，还能形成屏障效应，有效减少腐蚀介质的渗透。

为了评估涂层的抗腐蚀性能，研究采用了一系列电化学测试方法，包括极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）。实验结果表明，Zn和Zn-碳酸钙复合涂层能够显著降低腐蚀电流密度（icorr）和腐蚀速率（CR-mmpy），表明其在生物柴油环境中的优异防护能力。此外，通过AFM技术对涂层表面的形貌和粗糙度进行分析，发现Zn和Zn-碳酸钙复合涂层的表面粗糙度参数（如Ra、Rq和Rpv）高于未涂层的碳钢，这可能意味着更大的表面积，有助于增强腐蚀防护效果。同时，AFM数据还显示，这些涂层在电化学过程中表现出一定程度的表面变化，表明其具有一定的自修复能力。

XRD分析进一步揭示了Zn和Zn-碳酸钙复合涂层的相组成和晶体尺寸。研究发现，Zn-CaCO?涂层的晶体尺寸约为92纳米，而Zn涂层的晶体尺寸为50纳米。这些数据表明，Zn-CaCO?涂层在微观结构上更加均匀，可能增强了其保护性能。同时，通过Rietveld方法进行XRD定量分析，证实了Zn-CaCO?涂层中Zn含量高达98%，而CaCO?含量仅为2%。这些涂层的微结构不仅提高了其抗腐蚀能力，还可能在生物柴油环境中提供更持久的保护。

在SEM图像中，研究观察到了未涂层和涂层钢样品在生物柴油环境中的腐蚀形貌变化。未涂层的轻质钢表面在30天的浸泡后仍保持相对光滑，表明其主要经历了均匀腐蚀。相比之下，Zn和Zn-CaCO?涂层样品则表现出明显的环形腐蚀损伤，这可能与生物膜的形成和微生物代谢产物的积累有关。这些发现表明，Zn-CaCO?复合涂层在生物柴油环境中能够有效抑制局部腐蚀的发生，提高材料的使用寿命。

此外，AFM和SEM的结合分析为研究表面形貌与电化学行为之间的关系提供了重要依据。AFM能够提供纳米级的表面形貌信息，而SEM则用于观察涂层的微观结构和腐蚀产物的分布。这种技术组合有助于深入理解涂层的防护机制，并为未来涂层优化提供数据支持。研究还发现，涂层的粗糙度变化与腐蚀速率密切相关，初始粗糙度较高的表面在电化学过程中更容易发生形貌变化，从而影响其保护性能。

为了进一步验证涂层的防护效果，研究还对Zn和Zn-CaCO?涂层的电化学参数进行了详细分析。极化曲线显示，Zn-CaCO?涂层的腐蚀电流密度显著低于纯Zn涂层，表明其具有更强的抗腐蚀能力。同时，EIS测试结果也表明，Zn-CaCO?涂层的极化电阻（Rp）更高，说明其在生物柴油环境中的腐蚀控制效果更佳。这些结果进一步支持了Zn-CaCO?复合涂层在生物柴油储存罐中的应用前景。

总的来说，本研究为提高轻质钢在生物柴油环境中的抗生物腐蚀能力提供了新的材料和技术思路。通过将碳酸钙颗粒引入锌涂层，不仅增强了涂层的物理和化学性能，还可能为工业领域提供更环保、更经济的防腐方案。未来的研究应进一步优化涂层的制备工艺，以提高其在不同环境条件下的稳定性和适用性。此外，还需探索如何通过调控沉积参数和涂层成分，进一步提升其在实际应用中的性能表现。